CN105465313B - 集成环齿轮的滚柱丝杠机构及相关制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种滚柱丝杠机构，包括：螺杆12，其包括外螺纹14；螺母16，其围绕所述螺杆设置并且与之同轴，所述螺母包括内螺纹18；以及多个滚柱20，它们沿径向设置在所述螺杆和螺母之间，并且分别设置有与所述螺杆的外螺纹14和所述螺母的内螺纹18接合且具有两个外齿轮齿24、26的外螺纹22。所述机构还包括两个同步齿轮齿44、46，它们形成在所述螺母16上并且分别与所述滚柱的齿轮齿24、26之一接合。每个齿轮齿的根部直径小于所述螺母的内螺纹的内径。

Description

集成环齿轮的滚柱丝杠机构及相关制造方法
技术领域
本发明涉及滚柱丝杠机构的领域，用于将旋转运动转换为直线平移运动，反之亦然。
背景技术
这样的机构设置有包括外螺纹的螺杆、围绕该螺杆设置并且包括内螺纹的螺母、以及多个纵向滚柱，这些滚柱具有与螺杆的外螺纹和螺母的内螺纹接合的外螺纹。
在第一类型的滚柱丝杠机构中，滚柱的螺纹和螺母的螺纹具有彼此相同的螺旋角，并且不同于螺杆螺纹的螺旋角，使得当螺杆相对于螺母旋转时，滚柱自己旋转并且围绕螺杆滚动，而不会在螺母内轴向移动。滚柱通过环齿轮被引导成旋转地平行于螺杆的轴线，环齿轮装配在螺母的非螺纹部分中，并且包括与所述滚柱的外齿轮齿接合的内同步齿轮齿。这种机构被称为行星滚柱丝杠。
为了减少要被制造并连接在一起的部件的数量，可以沿轴向在所述螺母的螺纹的任一侧上于螺母上直接形成内同步齿轮齿。
然而，由于这种机构目前的设计带有集成在螺母中的齿轮齿，所以有必要进行第一齿轮切削操作，以在螺母的孔中形成齿轮齿之一于内螺纹的一侧上，然后车削螺母并且随后在这个孔中进行第二齿轮切削操作，以便在相反侧上形成另一齿轮齿。这种连续操作实质上增加了制造螺母的成本。
此外，采用这种方法，在形成于螺母上的两个内同步齿轮齿之间通常会出现角度未对准。这种未对准可以引起机构滚柱的变形，主要是由扭转，或者甚至是这些滚柱的齿轮齿的恶化。
第二类型的滚柱丝杠机构具有类似的工作原理，但是相差倒置的设置。滚柱的、螺杆的以及螺母的螺纹的螺旋角被选择成使得当螺杆相对于螺母旋转时，滚柱绕着螺杆自己旋转并且在螺母中轴向移动。滚柱由外同步齿轮齿旋转地引导，所述外同步齿轮齿形成在螺杆上并且与所述滚柱的齿轮齿接合。这种机构被称为倒置的滚柱丝杠。
为了制造装有这种机构的外同步齿轮齿的螺杆，还设置有齿轮切削操作，例如借助于安装在共同的支撑心轴上的两个径向作用滚刀。这两个滚刀依次切断在螺杆的外表面上的两个同步齿轮齿。制造螺杆的时间相对较长。此外，在制造过程中，螺杆的外同步齿轮齿之一的齿相对于另一齿轮齿的齿的角度未对准也可能发生在这种情况下。
发明内容
本发明的目的是克服这些缺点。
更具体地说，本发明的目的是提供一种易于制造并具有使用寿命增加的滚柱丝杠机构。
在一个实施例中，所述滚柱丝杠机构包括：螺杆，其包括外螺纹；螺母，其围绕所述螺杆设置并且与之同轴，所述螺母包括内螺纹；以及多个滚柱，它们沿径向设置在所述螺杆和螺母之间，并且分别设置有与所述螺杆的外螺纹和所述螺母的内螺纹接合且具有两个外齿轮齿的外螺纹。
所述机构还包括两个同步齿轮齿，它们分别与所述滚柱的齿轮齿之一接合。每个齿轮齿的根部直径小于所述螺母的内螺纹的内径。当所述同步齿轮齿形成在螺母上时，每个齿轮齿的根部直径小于所述螺母的内螺纹的内径。所述机构是行星滚柱丝杠型的。根部直径对应于穿过同步齿轮齿的齿的根部或基部的圆。换句话说，根部直径对应于穿过同步齿轮齿的每个齿间隙的底部的圆。
当同步齿轮齿形成在螺杆上时，每个齿轮齿的根部直径大于所述螺杆的外螺纹的外径。所述机构是倒置的滚柱丝杠型的。
优选地，所述同步齿轮齿的每个齿包括在横截面中具有凸形轮廓的侧面。
在一个实施例中，形成在所述螺母上的同步齿轮齿的每个齿包括具有在横截面中由第一内摆线形成的凸形轮廓的第一侧面和具有在横截面中由第二内摆线形成的凸形轮廓的第二侧面。
在另一实施例中，形成在所述螺杆上的同步齿轮齿的每个齿包括具有在横截面中由第一外摆线形成的凸形轮廓的第一侧面和具有在横截面中由第二外摆线形成的凸形轮廓的第二侧面。
在另一实施例中，形成在所述螺母或所述螺杆上的同步齿轮齿的每个齿包括每个具有在横截面中由圆弧形成的凸形轮廓的两个侧面。
所述滚柱的齿轮齿的每个齿可以包括与所述同步齿轮齿接合的平坦面。可替代地，所述滚柱的齿轮齿的每个齿可以包括在横截面中具有凹形轮廓的面。
本发明还涉及一种致动缸，包括用于旋转驱动的驱动装置和如上限定的滚柱丝杠机构，所述机构的螺杆联接到所述驱动装置。
本发明还涉及一种制造包括螺纹和沿轴向设置在所述螺纹的任一侧上的两个齿轮齿的滚柱丝杠机构的螺母或螺杆的方法。所述方法包括以下步骤：通过轴向拉削去除材料，以便在单个轴向通行中形成所述两个齿轮齿，所述齿轮齿中的每个相对于所述螺纹沿径向偏置。
根据实现的一种方法，去除材料以便形成所述两个齿轮齿的步骤在去除材料以便形成所述螺纹的步骤之后进行。
附图说明
通过阅读多个实施例的详细描述，本发明将得到更好的理解，这些实施例通过完全非限制性的示例给出并且通过附图示出，其中：
-图1是根据本发明第一示例性实施例的滚柱丝杠机构的轴向截面图，
-图2是图1中机构的滚柱的半轴向截面图，
-图3是图2中的线III-III上的截面图，
-图4是图1中机构的螺母的详细视图，
-图5是图4中的线V-V上的部分截面图，
-图6是根据本发明第二示例性实施例的滚柱丝杠机构的轴向截面图，
-图7是根据本发明第三示例性实施例的滚柱丝杠机构的轴向截面图，
-图8是图7中机构的螺杆的部分详细视图，以及
-图9是根据本发明第四示例性实施例的滚柱丝杠机构的轴向截面图。
具体实施方式
在图1中，行星滚柱丝杠机构10包括：螺杆12(轴线12a)，其设置有外螺纹14；螺母16，其围绕螺杆12同轴安装并且设置有内螺纹18，该螺纹的内径大于螺纹14的外径；以及多个纵向滚柱20，其沿径向设置在螺杆和螺母之间。螺杆12沿纵向延伸通过螺母16的圆筒形孔，其上形成有内螺纹18。
滚柱20彼此相同，并且围绕螺杆12规则分布。每个滚柱20沿着平行于螺杆的轴线12a的轴线20a延伸，并且包括与螺杆的螺纹14和螺母的螺纹18接合的外螺纹22。
如图2更清楚地所示，每个滚柱20在每个端部包括外齿轮齿24、26和从该齿轮齿朝向外侧轴向延伸的圆筒形轴颈28、30。齿轮齿24、26沿轴向设置在外螺纹22的任一侧上。齿轮齿24、26彼此相同。每个滚柱20还包括环形的外凹槽32、34，沿轴向形成在螺纹22与每个齿轮齿24、26之间。螺纹22沿轴向位于凹槽32、34之间。每个齿轮齿24、26由相关凹槽32、34和相应的轴颈28、30沿轴向限制。
再次参照图1，螺母16同样包括两个内齿轮齿44、46，它们沿轴向在内螺纹18的任一侧上形成于所述螺母的孔上。每个齿轮齿44、46分别与滚柱的齿轮齿24、26接合用于它们的同步。齿轮齿44、46彼此相同。如下面更详细地描述，每个齿轮齿44、46的根部直径小于螺纹18的内径。齿轮齿44、46以相对于螺纹18朝向机构10的内侧径向偏置的方式形成在螺母16上。
机构10还包括两个环形环48、50，它们分别沿径向安装在螺杆的螺纹14与螺母16之间，并且相对于相关的齿轮齿44、46朝向外侧轴向偏置。每个环48、50以相对于所述螺母在圆周方向上自由安装的方式沿轴向安装在螺母的孔中。每个环48、50包括多个圆筒形通腔(未作标记)，它们在圆周方向上规则地分布且滚柱的轴颈28、30容纳在其内部。环48、50支承滚柱20，并且在其间保持规则的周向间距。机构10还包括保持环52、54，它们分别安装在形成于螺母孔中的凹槽(未作标记)中，并且旨在轴向地保持相应的环48、50。
再次参照图2，每个滚柱的齿轮齿24、26分别包括多个径向齿60、62，它们彼此相同并且在圆周方向上以规则的方式彼此间隔开。齿60、62沿轴向延伸。由于每个滚柱20的齿轮齿是相同的，所以本文仅描述齿轮齿24。
如图3更清楚地所示，齿轮齿24的每个齿60包括两个相对的平面支承侧面或面60a、60b和连接所述面的大直径端部的顶部60c。在所示的示例性实施例中，每个齿的顶部60c是平的。面60a、60b在圆周方向上限制相关的齿。每个齿的面60a、60b在横截面中具有直线轮廓。每个齿的面60a、60b相对于在两个相反的方向上穿过滚柱的轴线20a的所述齿的中间平面P是倾斜的。在所示的示例性实施例中，在考虑到中间平面P时，每个齿的面60a、60b彼此对称。每个齿60在横截面中具有梯形轮廓。一个齿的面60a沿周向相对于紧邻齿的面60b，所述面由凹底60d连接在一起。在所示的示例性实施例中，齿60的数量等于10。可替代地，可以提供不同的偶数或奇数数量的齿。
齿轮齿24的外径da对应于穿过齿的顶部60c的圆。这也被称为头部直径。每个滚柱的齿轮齿24的该外径da小于螺纹22的根部的直径D(图2)。
采用每个滚柱的每个齿轮齿24、26的外径da与所述滚柱的螺纹22的根部的直径D之间的这样的比例，没有螺纹在为了加工螺纹22所进行的移除材料的操作过程中形成于这些齿轮齿中的每一个上。这使得有可能避免过早磨损到同步齿轮齿44、46。
此外，具有相对平坦面的每个滚柱的齿轮齿24、26的齿60、62的设计使得能够在考虑到滚柱的轴线20a时使用径向作用的工具通过在材料的径向方向上的变形来形成这些齿。齿轮齿24、26可以有利地通过轧制而形成。使用径向作用的工具来形成每个滚柱的齿轮齿24、26是特别有利的，因为没有必要为滚柱的每个齿轮齿24、26和相关的螺纹22之间的工具提供轴向间隙。
此外，齿60、62的面的平面形状使得能够在每个滚柱上获得适于多种节距甚至适于相对较大节距的齿轮齿24、26。借助于齿60和62的面的该平面形状，能够维持小于螺纹22的根部的直径D的滚柱的齿轮齿24、26的外径da独立于滚柱的节距的值。这对于以用于所有可能节距的圆的渐开线形式的滚柱齿轮齿的常规轮廓是不可行的。
如上所述，螺母18的同步齿轮齿44、46彼此相同。下面仅对齿轮齿44进行详细说明。如图4和5所示，同步齿轮齿44包括彼此相同且在圆周方向上以规则方式彼此间隔开的多个径向齿64。齿64沿轴向延伸，并且沿径向被引导朝向内侧。每个齿64包括两个相对的凸支承侧面64a、64b、侧面从其延伸的根部或基部64c以及连接所述侧面的大直径端部的顶部64d。在所示的示例性实施例中，每个齿的顶部64d是以半径的形式。侧面64a、64b在圆周方向上限制相关的齿。每个齿的每个侧面64a、64b在横截面中具有凸形轮廓。两个连续的齿64在圆周方向上由底部64e连接在一起。
在所示的示例性实施例中，每个侧面64a在横截面中具有由第一内摆线形成的凸形轮廓，每个侧面64b具有由第二内摆线形成的凸形轮廓。在考虑到穿过螺母16的轴线的每个齿64的中间平面时，第一和第二内摆线彼此对称。作为变型，可以向螺母16提供齿64，该齿的每一个都具有在考虑到所述齿的中间平面时由横截面中圆的两个对称弧形成的凸形轮廓。在操作中，螺母的同步齿轮齿44的齿的横向侧面64a、64b与滚柱的齿轮齿24的齿的侧面60a、60b接触接合。以相同的方式，螺母的齿轮齿46的齿的凸形形状的侧面在圆周方向上抵靠着滚柱的齿轮齿26的齿的平坦面。
如上所述，齿轮齿44的根部直径df小于螺母的螺纹18的内径Dint。根部直径df对应于穿过齿轮齿44的齿的基部64c和每个齿间隙的底部64e的圆。螺纹18的内径Dint对应于所述螺纹的顶部的直径。这也被称为螺纹18的头部直径。齿轮齿44相对于螺纹18朝向螺杆径向偏置。齿轮齿44相对于螺纹18的顶部朝向内部径向偏置。齿的基部64c和每个齿间隙的底部64e相对于螺纹18的顶部朝向内部径向偏置。齿轮齿44的根部直径df大于或等于滚柱20的齿轮齿的外径da。螺纹18的内径Dint小于或等于滚柱20的螺纹22的根部的直径D。
由于用于直接形成在螺母上的每个齿轮齿44、46的根部直径df小于所述螺母的螺纹18的内径Dint，所以能够通过轴向拉削在单一操作中形成这些齿轮齿。通过轴向作用拉削工具对齿轮齿44、46进行切削是特别有利的，因为螺母16内的拉削工具的轴向通道使得有可能在单个通行中即没有轴向返回来形成这些齿轮齿。用于制造螺母16的时间因而大大缩短。
对于给定的如上所限定的每个齿轮齿的根部直径df和螺纹的内径Dint的相对大小，在由拉削工具形成齿轮齿44、46的过程中，与螺母的螺纹18没有干扰。因此，没有必要提供要被车削的螺母，以便能够直接在所述螺母的孔中切削这两个同步齿轮齿，如对于其中螺母的螺纹的内径小于形成在所述螺母上的每个同步齿轮齿的根部直径的传统行星滚柱丝杠机构的情况。此外，由于采用通过在单个通行中在螺母16的任一侧上拉削的齿轮切削的该方法，同步齿轮齿44的齿在圆周方向上与形成在螺母的孔中的另一齿轮齿46的齿完全对齐。
图6所示的示例性实施例(其中相同的元件具有相同的附图标记)仅不同于通过滚柱20的齿轮齿24、26的形状描述的第一示例。在该示例中，每个滚柱的齿60、62分别包括具有在横截面中由第一内摆线形成的凹形轮廓的第一侧面或面和具有在横截面中由第二内摆线形成的凹形轮廓的第二侧面或面。在考虑到所讨论的穿过滚柱轴线的每个齿的中间平面时，第一和第二内摆线彼此对称。作为变型，可以提供在考虑所述齿的中间平面时每个滚柱齿60、62分别具有在横截面中由圆的两个对称弧形成的凹形轮廓。
在所示的前两个例子中，本发明是基于行星滚柱丝杠机构而示出的。图7所示的示例性实施例(其中相同的元件具有相同的附图标记)仅区别在于机构10是倒置的滚柱丝杠型。滚柱20的设计与上述的第一示例性实施例是严格相同的。
螺杆12包括形成在所述螺杆的外表面上的两个外同步齿轮齿70、72。齿轮齿70、72彼此相同，并且沿轴向设置在螺纹14的任一侧上。齿轮齿70、72分别与滚柱的齿轮齿24、26接合，用于它们的同步。齿轮齿70、72以相对于螺纹14径向偏置朝向外侧的方式形成在螺杆12上。
每个齿轮齿70、72包括多个径向齿74、76，它们彼此相同并且在圆周方向上以规则的方式彼此间隔开。齿74、76沿轴向延伸，并且沿径向被引导朝向外侧。每个齿74、76包括两个相对的凸形支承侧面和连接所述侧面的大直径端部的顶部。每个齿的每个侧面在横截面中具有凸形轮廓。每个齿的侧面之一可以在横截面中具有由第一外摆线形成的凸形轮廓，另一侧面可以具有由第二外摆线形成的凸形轮廓，其中在考虑到所述齿的中间平面时,第一和第二外摆线可以彼此对称。作为变型，可以提供这样的齿74、76，也就是在考虑到所述齿的中间平面时,每个在横截面中具有由圆的两个对称弧形成的凸形轮廓。
如图8更清楚地所示，齿轮齿70的根部直径df大于螺杆的螺纹14的外径Dext。根部直径df对应于穿过齿轮齿的齿74的基部和每个齿间隙的底部的圆。螺纹14的外径Dext对应于所述螺纹的顶部的直径。这也被称为螺纹14的头部直径。齿轮齿70相对于螺纹14朝向螺母径向偏置。齿轮齿70相对于螺纹14的顶部朝向外部径向偏置。齿70的基部和每个齿间隙的底部相对于螺纹14的顶部朝向外部径向偏置。根部直径df大于或等于滚柱20的齿轮齿的外径。
由于用于螺杆的每个齿轮齿70、72的根部直径df大于螺纹14的外径Dext，所以能够通过轴向拉削在单一操作中形成这些齿轮齿。在螺杆12上切削齿轮齿70、72可以在单个通行中进行，而不会与螺纹14径向干扰。与其中螺杆的螺纹的外径大于每个同步齿轮齿的根部直径的传统倒置滚柱丝杠机构相比，用于制造螺杆12的时间因此大大缩短。此外，由于采用在单个操作中在螺杆12的任一侧上的这种轴向拉削，优选地，同步齿轮齿70的齿在圆周方向上与形成在螺杆的外表面上的另一齿轮齿72的齿对齐。
再次参照图7，在本示例性实施例中，环48、50在这种情况下分别沿径向安装在螺杆12的外表面的无螺纹部分与螺母的螺纹18之间。在这种情况下，保持环52、54具有较小的径向尺寸，并且分别安装在形成于螺杆12的相关无螺纹部分中的凹槽(未作标记)中。
图9所示的示例性实施例(其中相同的元件具有相同的附图标记)仅不同于上面通过滚柱20的齿轮齿24、26的形状描述的示例。在该示例中，每个滚柱的齿60、62分别包括具有在横截面中由第一内摆线形成的凹形轮廓的第一侧面或面和具有在横截面中由第二内摆线形成的凹形轮廓的第二侧面或面。在考虑到所讨论的穿过滚柱轴线的每个齿的中间平面时，第一和第二内摆线彼此对称。作为变型，可以提供在考虑所述齿的中间平面时每个滚柱齿60、62分别具有在横截面中由圆的两个对称弧形成的凹形轮廓。
滚柱丝杠机构包括形成在螺母上或者在螺杆上的同步齿轮齿，使得所述螺母和所述螺杆分别构成在螺杆相对于螺母的旋转过程中被固定且相对于滚柱沿轴向可动或者反之亦然的元件。形成在该固定元件上的每个同步齿轮齿相对于所述固定元件的螺纹朝向可动元件径向偏置。当该机构是行星滚柱丝杠型的时，相对于滚柱沿轴向固定的元件是螺母，且沿轴向可动的元件是螺杆。相反，当该机构是倒置的滚柱丝杠型的时，相对于滚柱沿轴向固定的元件是螺杆，且沿轴向可动的元件是螺母。

Claims (10)

1.一种滚柱丝杠机构，包括：螺杆(12)，其包括外螺纹(14)；螺母(16)，其围绕所述螺杆设置并且与之同轴，所述螺母包括内螺纹(18)；以及多个滚柱(20)，它们沿径向设置在所述螺杆和螺母之间，并且分别设置有与所述螺杆的外螺纹(14)和所述螺母的内螺纹(18)接合且具有两个外齿轮齿(24、26)的外螺纹(22)，所述滚柱丝杆机构还包括分别与所述滚柱的外齿轮齿(24、26)之一接合的两个同步齿轮齿(44、46；70、72)，其特征在于，所述同步齿轮齿(44、46)直接形成在所述螺母(16)上，每个同步齿轮齿的根部直径(df)小于所述螺母的内螺纹(18)的内径(Dint)，其中，所述滚柱(20)的两个外齿轮齿(24、26)没有与所述螺杆结合，或者
所述同步齿轮齿(70、72)直接形成在所述螺杆(12)上，每个同步齿轮齿的根部直径(df)大于所述螺杆的外螺纹(14)的外径(Dext)，其中，所述滚柱(20)的两个外齿轮齿(24、26)没有与所述螺母结合。
2.根据权利要求1所述的滚柱丝杠机构，其中，所述同步齿轮齿(44、46；70、72)的每个齿包括在横截面中具有凸形轮廓的侧面(64a、64b)。
3.根据权利要求2所述的滚柱丝杠机构，其中，形成在所述螺母上的同步齿轮齿(44、46)的每个齿包括具有在横截面中由第一内摆线形成的凸形轮廓的第一侧面(64a)和具有在横截面中由第二内摆线形成的凸形轮廓的第二侧面(64b)。
4.根据权利要求2所述的滚柱丝杠机构，其中，形成在所述螺杆上的同步齿轮齿(70、72)的每个齿包括具有在横截面中由第一外摆线形成的凸形轮廓的第一侧面(64a)和具有在横截面中由第二外摆线形成的凸形轮廓的第二侧面(64b)。
5.根据权利要求2所述的滚柱丝杠机构，其中，形成在所述螺母或所述螺杆上的同步齿轮齿(44、46；70、72)的每个齿包括每个具有在横截面中由圆弧形成的凸形轮廓的两个侧面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的滚柱丝杠机构，其中，所述滚柱的外齿轮齿(24、26)的每个齿包括与所述同步齿轮齿(44、46；70、72)接合的平坦面(60a、60b)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的滚柱丝杠机构，其中，所述滚柱的外齿轮齿(24、26)的每个齿包括在横截面中具有凹形轮廓的面。
8.一种致动缸，包括用于旋转驱动的驱动装置和根据前述权利要求中任一项所述的滚柱丝杠机构，所述滚柱丝杠机构的螺杆联接到所述驱动装置。
9.一种制造包括螺纹和沿轴向设置在所述螺纹的任一侧上的两个同步齿轮齿的根据权利要求1所述的滚柱丝杠机构的螺母或螺杆的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：通过轴向拉削去除材料，以便在单个轴向通行中直接在所述螺母上或直接在所述螺杆上形成所述两个同步齿轮齿，使得所述同步齿轮齿中的每个相对于所述螺纹沿径向偏置并且在所述滚柱丝杠机构的组装状态下，所述滚柱丝杠机构的所述滚柱的两个外齿轮齿分别没有与所述螺母或所述螺杆结合。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，去除材料以便形成所述两个同步齿轮齿的步骤在去除材料以便形成所述螺纹的步骤之后进行。
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